อากาศพลศาสตร์ ศาสตร์ที่ว่าด้วยการลื่นไหลของกระแสลม

หากคุณเป็นคนที่สนใจรถยนต์ตัวจริง คงต้องคุ้นเคยกับตัวอักษร Cd. ซึ่งมาจากตัวเต็ม Drag Coefficient กันบ้าง แปลเป็นภาษาไทยจะหมายถึง ‘สัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ’ เป็นตัวเลขที่ติดทศนิยมมาด้วย 2 ตำแหน่ง รถที่ออกแบบได้ถูกต้องตามหลักอากาศพลศาสตร์หรือถูกต้องตามหลักแห่งการเคลื่อนที่ของกระแสลม ถ้าจะเอาตัวเลขสวย ๆ ก็มักจะมีค่า Cd. ที่ต่ำกว่า 0.30

รถยนต์ที่ขายกันอยู่ในปัจจุบัน ทำได้ต่ำถึง 0.25 นั่นหมายความว่า รถคันนี้จะมีความสามารถในการแหวกม่านอากาศได้ดีกว่ารถที่มีค่า Cd. ระดับ 0.28, 0.30 หรือ 0.32 แต่ไม่ได้หมายความว่ารถคันนั้น ๆ จะมีประสิทธิภาพในการทรงตัวดีกว่า เพราะเรื่องสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ เป็นเพียงองค์ประกอบหนึ่งที่ช่วยสร้างสมดุลในการทรงตัวของรถ เมื่อรถวิ่งอยู่ในความเร็วช่วงหนึ่ง ๆ เท่านั้น

ยกตัวอย่างเช่น มีรถรุ่นหนึ่งใช้ ‘รูปทรงลิ่ม’ เป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบ เพื่อให้ความแหลมของรูปทรงลิ่มช่วยลดแรงต้านอากาศ รถคันนี้จึงมาพร้อมกับค่า Cd. ที่หรูระดับ 0.26 ในความเร็วเดินทางเฉลี่ย 140-160 กม./ชม. มีเสียงลมปะทะตัวถังน้อยมาก แต่เมื่ออยู่บนเพดานความเร็วที่สูงกว่านี้ รู้สึกรถเริ่มลอย ๆ ความสามารถในการแหวกม่านอากาศ โดยเฉพาะในช่วงความเร็วที่สูงขึ้น กำลังทำให้รถคันนี้เปลี่ยนสภาพเป็นเครื่องบิน เมื่อได้ความเร็วและแรงปะทะของลมในระดับเหมาะสม ล้อจึงเริ่มค่อย ๆ ถูกยกพ้นจากพื้นถนน ซึ่งนั่นหมายถึง ‘อันตราย’ เพราะคุณจะไม่สามารถคอนโทรลรถได้ดีเหมือนเดิมอีกแล้ว

Wind Tunnel อุโมงค์วัดความลื่นไหล

การนำรถต้นแบบเข้าไปหา Aerodynamics Drag Coefficient กลายเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบรถยนต์ไปแล้ว เพราะรถยนต์ยุคใหม่ทุกคันจะต้องมีค่า Cd. ติดตัวมาตั้งแต่กำเนิด แต่ก็ไม่ได้หมายความว่า บริษัทผู้ผลิตรถยนต์จะมีอุโมงค์ลมด้วยกันทั้งหมด เนื่องจากเป็นขั้นตอนการลงทุนที่มหาศาลมาก บางครั้งหน่วยงานนี้ของผู้ผลิตยักษ์ใหญ่ทั้งหลายจึงต้องรับงานนอกในการหา ‘สัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ’ ให้กับบริษัทรถยนต์รายเล็ก ๆ ด้วย

อุโมงค์ลมเปรียบเสมือนห้องขนาดใหญ่สำหรับจำลองการเคลื่อนที่จริงของรถ หน้ารถจะหันเข้าหาด้าน Discharge (จ่ายลม) ขณะที่ท้ายรถหันเข้าหาด้าน Suction (ดูดลมเพื่อกลับมาจ่ายใหม่) ของห้อง เพียงแต่ในห้องนี้วิศวกรสามารถกำหนดสถานการณ์ที่เกิดขึ้นกับรถได้ เช่น จะให้ลมที่เคลื่อนที่ผ่านตัวถังเป็นลมร้อนหรือลมเย็น เพื่อจำลองการใช้งานบนทะเลทราย หรือในภูมิภาคที่ปกคลุมไปด้วยหิมะ สภาวะอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปจะส่งผลให้สัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย

อีกหัวข้อที่ทำการทดสอบในอุโมงค์ลมได้เช่นกัน คือ เรื่องเสียงลมปะทะตัวถัง เช่น ขณะรถแหวกความเร็วลมที่ระดับ 160 กม./ชม. จะมีเสียง (noise) อะไรเกิดขึ้นในห้องโดยสารบ้าง แต่แทนที่จะใช้รถวิ่งเข้าหากระแสลม ก็จะใช้ลมวิ่งเข้าหารถ โดยความเร็วสูงสุดที่ Wind Tunnel Centre ของ AUDI ทำได้อยู่ที่ 300 กม./ชม.

ในย่านความเร็วต่าง ๆ ลักษณะการแหวกอากาศที่เกิดขึ้นจะแตกต่างกันไป แม้จะเป็นการทดสอบด้วยรถคันเดียวกัน ซึ่งแน่นอนว่า ตามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นการเคลื่อนที่ของลมได้ อุปกรณ์สำคัญที่ใช้ในการสังเกตการณ์ครั้งนี้ คือ ‘ควัน’ (Smoke) หัวฉีดต้นกำเนิดของควัน สามารถกำหนดขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางการไหลของควันนี้ได้ การไหลของควันจากด้าน Discharge ไปยังด้าน Suction ของอุโมงค์ลม จึงมีลักษณะเป็น ‘เส้น’

เมื่อผู้ทดสอบเลื่อนหัวฉีดควันลงมาอยู่ในระดับเดียวกับหน้ารถ การไหลของ ‘เส้นควัน’ ผ่านตัวถัง ก็จะสามารถบอกความลื่นไหลของอากาศที่เคลื่อนที่ผ่านรถคันนั้นได้ แต่เพื่อให้ภาพรวมในการแหวกอากาศของรถทั้งคันชัดยิ่งขึ้น เขาก็จะใช้ ‘ควัน’ หลาย ๆ เส้นเคลื่อนที่ผ่านตัวถัง ขั้นตอนต่อจากนั้น ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ภายในห้องคอนโทรลจะคำนวณ แล้วส่งผลในรูปแบบ Visualization ไปแสดงผลที่จอมอนิเตอร์ให้ทุกคนได้เห็นกันแบบชัด ๆ

อุโมงค์ลมจึงเป็นเครื่องมือชิ้นสำคัญ (และราคาแพง) ในการผสานจินตนาการของดีไซเนอร์ และความเป็นไปได้ในเชิงวิศวกรรมเข้าไว้ด้วยกัน การออกแบบรถชนิดสวยเลอเลิศ ไม่ได้หมายความว่า รถคันนั้นจะเป็นไปตามหลักอากาศพลศาสตร์ ในทางกลับกัน รถที่มีสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศต่ำ ก็ไม่ได้หมายความว่าจะสวย และขายดี ความลงตัวควรจะอยู่ตรงไหน อุโมงค์ลมนี่แหละ...พอจะบอกได้

 

สปอยเลอร์ อุปกรณ์เพิ่มแรงเสียดทานอากาศ

กลายเป็นแฟชั่นกันอยู่พักใหญ่ หลังจากบรรดานักเลงรถทั้งหลายเกิดความประทับใจในสปอยเลอร์ขนาดใหญ่โตของบรรดาตัวแรงอย่าง EVO รวมถึง WRX STi ก็ต้องยอมรับว่า เขาออกแบบแอโรพาร์ทคิตให้ดูกลมกลืนกับตัวรถ และสวยงามอย่างไร้ที่ติ จึงเกิดพฤติกรรมเลียนแบบขึ้นมากมาย

แต่ผลที่จะเป็นภาระต่อเนื่องกันไป คือ เรื่องอัตราการบริโภคน้ำมันที่จะสูงขึ้น เพราะแรงต้านอากาศในระดับที่ไม่เหมาะสมขณะรถเคลื่อนที่ แรงกดของลมที่เกิดขึ้นจะไปเพิ่มน้ำหนักส่วนเกินให้กับรถ ซึ่งนั่นก็คือ โหลดที่เครื่องยนต์ต้องแบกรับไว้ ระดับผู้ผลิตการออกแบบและการใช้สปอยเลอร์เขาไม่ได้ทำกันอย่างไร้หลักการ ความสัมพันธ์ระหว่างระดับการเอียงของสปอยเลอร์กับแรงกดที่เกิดขึ้น ทั้งหมดได้รับการคำนวณมาอย่างถี่ถ้วน

 

Lift Force & Down Force สมดุลแห่งการเคลื่อนที่

เรื่องผลของแรงลมที่เกิดขึ้นจากแอโรพาร์ท หรือสารพัดชุดแต่งต่าง ๆ ยังไม่ได้จบเพียงเท่านี้ เพราะการออกแบบรถในปัจจุบัน โดยเฉพาะในรถสปอร์ต วิศวกรทำได้ลึกซึ้งมากกว่านั้น อยู่ในลักษณะใกล้เคียงกับรถแข่ง คือ มีทั้ง ‘แรงยก’ (Lift Force) และ ‘แรงกด’ (Down Force) ในเวลาเดียวกัน การสร้างสมดุลของทั้ง 2 แรงนี้ให้เกิดขึ้น ช่วยให้รถสามารถแหวกม่านอากาศไปได้อย่างรวดเร็ว และยังหนึบแน่น มั่นคง แม้จะอยู่ในย่านความเร็วสูง ๆ

ผลเสียของ ‘แรงยก’ คือ จะทำให้หน้าสัมผัสของยางกับพื้นถนนลดลง ซึ่งนั่นทำให้ประสิทธิภาพในการควบคุมรถลดลงตามกันไป เกิดขึ้นในกรณีมีกระแสลมเข้าไปหมุนวนใต้ท้องรถมาก และจะยิ่งมากขึ้นอีกตามระดับความเร็วที่เพิ่มขึ้น รถระดับไฮเอนด์ทุกคัน จึงซีลปิดใต้ท้องอย่างมิดชิด ไม่ได้ซีลกันน้ำเข้า แต่กันกระแสลมที่จะเข้าไปหมุนวนใต้ท้องรถยามรถใช้ความเร็ว ขณะที่ใต้ท้องรถด้านหลังสุดก็จะมีอุปกรณ์ที่มีลักษณะเป็น ‘ครีบรีดอากาศ’ ซึ่งมีชื่อเรียกเชิงวิชาการว่า Diffusers หมอนี่จะทำให้อากาศที่เคลื่อนที่ผ่านตัวมันมีความเร็วเพิ่มขึ้น และนั่นก็คือ อากาศจะถูกระบายออกไปจากใต้ท้องรถได้เร็วยิ่งขึ้นนั่นเอง

ส่วนผลดีของ ‘แรงยก’ จะดีเฉพาะในกรณีใช้ความเร็วเริ่มต้นจนกระทั่งความเร็วปานกลาง อย่างที่กล่าวไว้แล้วว่า แรงยกจะช่วยลดหน้าสัมผัสของยางกับผิวถนน เรื่องนี้ค่อนข้างสำคัญทีเดียวสำหรับซูเปอร์คาร์หรือรถยนต์สมรรถนะสูงที่ใช้ ยางหน้ากว้าง เพราะแรงต้านทานการกลิ้งของยางประเภทนี้จะสูงมาก ขณะออกตัวหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ เครื่องยนต์จึงต้องเจียดแรงม้าบางส่วนมารับผิดชอบโหลดในส่วนนี้มากเป็นพิเศษ

สำหรับผลเสียของ ‘แรงกด’ ได้เกริ่นนำไปบ้างแล้ว จึงขอสรุปร่วมกับผลดี ด้วยตัวอย่างรถ Enzo ตัวแรงระดับตำนานจากค่ายม้าลำพอง Enzo ไม่ได้มีสปอยเลอร์ชิ้นหลังใหญ่โตแบบรุ่นพี่ F40 และ F50 มีเพียงสปอยเลอร์ชิ้นหางขนาดเล็กติดตั้งอยู่ระหว่างไฟท้าย ซึ่งจะกระดกเปลี่ยนมุมช่วยสร้างแรงกดแปรผันตามความเร็วรถ ผลที่ออกมา ระบบแอโรไดนามิกส์ของมันให้ประสิทธิภาพได้อย่างน่าทึ่ง ที่ความเร็ว 176-200 กม./ชม. สปอยเลอร์ชิ้นเล็กนี้สร้างน้ำหนักกดตัวถังได้ราว 334 กิโลกรัม

แต่ถ้าทะลุเพดาน 300 กม./ชม. ไปแล้ว แรงกดจะผันแปรไปได้สุด ๆ ถึง 585 กิโลกรัม และช่วยกดตัวถังอยู่เช่นนั้นจนกระทั่งถึงความเร็วสูงสุด ดังนั้น ผลดีของสปอยเลอร์ก็คือ การสร้างแรงกดให้กับตัวถังขณะใช้ความเร็วสูง ๆ เพื่อให้หน้ายางทั้ง 4 เส้นกดติดอยู่กับพื้นถนนมากที่สุด

จะเห็นได้ว่าแอโรไดนามิกส์มีความสำคัญไม่ได้น้อยไปกว่าส่วนประกอบอื่น ๆ ในรถ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรถสมรรถนะสูง สำหรับรถ F1 หัวข้อนี้สามารถชี้แพ้ชี้ชนะได้เลย ก่อนการแข่งขัน ทีมงานทุกทีมจึงคลุมผ้าปกปิดการปรับมุมสปอยเลอร์ทั้งด้านหน้าและด้านหลังกันอย่างมิดชิด สูตรใคร สูตรมัน เพราะการปรับแต่งระบบแอโรไดนามิกส์ให้เหมาะสมกับสนาม สามารถช่วยเพิ่มความเร็วของรถ ประสิทธิภาพในการเกาะถนน รวมถึงความเร็วในการจิกเข้าโค้งได้ด้วย นี่แหละ...ความสำคัญของศาสตร์ที่ว่าด้วยการลื่นไหลของกระแสลม